水泥混凝土路面快速修补材料研究*

郭唯一 郑秀华 侯毓栋 梁 霄 丛 林

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804；2.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 哈尔滨 201103; 3.上海嘉浏高速公路建设发展有限公司 上海 200030)

大多数水泥混凝土路面的严重损坏最初表现为路面的局部病害，如裂缝、接缝附近混凝土局部破坏、路面胀缝损坏、边角断裂及表层脱落等，这些小范围的局部病害如果不能得到及时有效地修复，将导致病害进一步加剧，造成更大的经济损失。目前国内外研究和应用的成果大多是沿用传统的普通混凝土修补技术。常用的水泥基材料修复技术不仅施工工艺复杂、而且修补界面黏结差，效果不理想。若采用整板修复技术工艺，不仅修复工期长，且很不经济。如何解决传统修补方法费时费力、养生期长、影响交通等问题，己成为当今水泥混凝土路面修补材料研究的首要目标。张水等[1]使用快硬硫铝酸盐水泥作为胶凝材料，并添加苯丙乳液，试验结果显示，修补材料黏结强度有显著提升，且3 d抗折、抗压强度分别为3～4 MPa和25～26 MPa，28 d达到5～6 MPa和31～33 MPa。高英力等[2]在水泥基材料中添加超细粉煤灰一氟石膏材料，在不掺早强剂的情况下1 d抗压强度就达到25 MPa以上；龙方来等[3]在砂浆中掺加可再分散乳胶粉和聚丙烯纤维，28 d黏结强度达8.0 MPa。但这些研究大多未考虑6 h早期强度，以致难以满足快速通车的需求。由此，提出水泥混凝土快速修补材料研究方向。

JTJ073.1-2001 《公路水泥混凝土路面养护技术规范》规定，用于板块修补的混凝土材料应在24 h内达到原板设计强度的70%以上，即混凝土24 h抗折强度要达到3.5 MPa(原板设计强度为5.0 MPa)。因此，若要实现快速修补的目标，修补砂浆的6 h抗折强度不能低于3.5 MPa，且具备一定的黏结强度和较好的施工和易性。相关研究表明，使用一定的快硬硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥复配作为胶凝材料，可以提高修补材料的早期强度[4]，同时保证一定的后期强度；在胶凝材料中掺加聚合物乳液，可以有效改善新老界面间的黏结强度[5]，并减缓凝结速率，方便施工。

因此，本研究采用普通硅酸盐水泥-快硬硫铝酸盐水泥-丁苯胶乳三元复合胶凝体系制备砂浆，对水泥净浆的凝结时间、砂浆的流动度、抗压抗折强度、黏结强度进行测试与分析，以期得到一种综合性能较好的快速修补材料。

1 原材料及试验方法

试验采用唐山北极熊公司生产的标号42.5快硬硫铝酸盐水泥，亚泰建材公司生产的标号42.5普通硅酸盐水泥，最大粒径为2.36 mm的河砂，自来水。采用深圳市吉田化工有限公司生产的丁苯胶乳106号，固含量为50%，大都化工公司生产的苯丙乳液，固含量为52%。采用京旗化工生产的消泡剂JQ-904，聚羧酸高效减水剂。

试验用抗压抗折试件的制备参照GB/T 17671-1999 《水泥胶砂强度检验方法》[6]，每组配合比同时成型3条截面为40 mm×40 mm×160 mm的试件，检测6 h,1 d,3 d的抗压抗折强度。

新拌砂浆流动度测试按照标准 GB/T 2419-2005 《水泥胶砂流动度测定方法》[7]进行。

参照标准GB/T 1346-2011 《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》[8]进行凝结时间试验。由于快硬硫铝酸盐凝结时间较短，将观察和测定间隔缩短为1 min/次。

砂浆黏结强度测试按照如下方法进行：首先制作普通硅酸盐42.5级水泥胶砂试件，养护7 d后使用抗折强度试验机折断，取试件的一半模拟旧混凝土路面。将断块放入试模，浇筑修补材料并成型试件。养护至龄期后测试抗折强度，并观察断裂面情况。

2 快速修补材料性能分析

2.1 2种水泥复配胶凝体系的研究

已有研究表明[9]，快硬硫铝酸盐水泥(R·SAC)和普通硅酸盐水泥(P·O)复配比例对砂浆的强度有很大影响，但这些研究的结论各有不同。因此，本试验控制快硬硫铝酸盐水泥占比为0%～100%，以10%的梯度进行选取，并固定水灰比0.3，胶砂比1∶1.5，以探究胶凝材料中R·SAC所占比例对砂浆力学强度的影响。试验结果见图1，并将具体强度值汇总于表1。

图1 R·SAC占比对砂浆强度的影响

表1 试件各龄期力学强度

从图1可见，砂浆试件的抗压、抗折强度与快硬硫铝酸盐水泥占比并非线性关系，而是显著的先增后减趋势，且水化速度显著增加。在胶凝材料体系全部为普通硅酸盐水泥时，试件无法正常脱模，几乎没有强度。随胶凝材料中R·SAC比例提高，砂浆6 h、1 d、3 d抗压强度及抗折强度均呈先增后减趋势， 并在R·SAC占比为60%或70%时达到最大值。路面快速修补材料不仅应有足够的强度，还应有适宜的凝结时间：初凝时间不宜过长，终凝时间不宜过短。因此，对上述11种配比对应的水泥净浆进行凝结时间测试，以探究胶凝材料中R·SAC占比对净浆凝结时间的作用效果。试验结果见图2。

图2 R·SAC占比对水泥净浆凝结时间的影响

由图2可知，随R·SAC占比的增加，水泥净浆凝结时间显著缩短，终凝和初凝时间之差也大幅减小，在占比超过80%后二者有所回升。当R·SAC占比为80%时凝结时间最短，初凝时间为14 min，终凝时间为17 min。

考虑到R·SAC占比60%时可以获得最高的早期抗折强度，同时也能保证一定的抗压强度和初凝、终凝时间，因此选用快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥比例6∶4作为基础胶凝材料配比。

2.2 三元复配胶凝体系的研究

在水泥砂浆中加入聚合物乳液，可以提升砂浆黏聚性能，不显干涩[10-11]；且能有效改善其内部结构，提高其力学性能、黏结性能。而这些性能的改善程度又取决于聚合物乳液的种类及掺量，且并非掺量越大性能越好。苯丙乳液、丁苯胶乳在普通硅酸盐水泥中性能稳定，可以有效改善水泥砂浆的力学性能，并延长凝结时间。但关于这2种乳液在快硬硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥复配体系中性能的研究较少。此外，2种乳液均具有良好的引气作用，会导致砂浆含气量上升，使强度降低。因此，应在砂浆拌和时掺加一定量的消泡剂，以消除这一不利影响。

本研究选择2种水泥最佳复配比例m(R·SAC)∶m(P·O)=6∶4的基础胶凝材料，固定胶砂比为1∶1.5，并添加消泡剂控制砂浆含气量不高于6.5%，制备不同聚灰比的2种聚合物改性水泥砂浆，以探究不同苯丙乳液、丁苯胶乳掺量对砂浆流动度、力学强度的影响。试验结果见表2、图3、图4。

表2 丁苯胶乳砂浆流动度

图3 掺苯丙乳液砂浆强度

图4 掺丁苯胶乳砂浆强度

由图3可知，在二元复配胶凝材料中掺加苯丙乳液，会显著降低其抗压、抗折强度，在聚灰比为0.06时，抗压抗折强度相较空白组下降60%以上。且在拌和成型时，砂浆流动度随苯丙乳液掺量的提高而明显降低。

苯丙乳液加入水泥后，水泥中的各类离子使其破乳聚沉，无法与水泥砂浆形成整体，协同受力。且苯丙乳液本身具有一定的黏度，最终导致了体系整体黏稠度增大，流动性降低。因此，可以认为苯丙乳液不适合掺加在快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥复配体系中。

表2数据显示了随聚合物砂浆中丁苯胶乳掺量的提高，砂浆流动度得到显著提高，在聚灰比为0.01时已经超过了300 mm。由图4可见，随聚灰比的增高，6 h、1 d、3 d抗压强度均呈下降趋势。在聚灰比为0.1时相较空白组砂浆分别下降了31.8%、31.9%、32.5%。对于抗折强度，砂浆6 h、1 d、3 d抗折强度均呈先下降，后上升，再下降的趋势。在聚灰比为0.06时，6 h强度达到最高值5.02 MPa，相较不掺加聚合物的砂浆试件提高了10.1%。聚灰比0.08时，1 d，3 d强度分别达到最大值6.12，7.02 MPa，相较空白组试件分别提高了4%、13%。

丁苯胶乳的掺入可以赋予砂浆良好的柔韧性，表现为提高基体的抗折强度，降低抗压强度。聚灰比较低时，浆体内丁苯胶乳含量不足，无法形成完全连续的网状结构，存在大量结构缺陷，因此抗折强度反而比空白组低。随着其掺量的增加，砂浆内部结构得到更有效的改善，聚合物脱水形成的高黏结力的膜，与各种水泥水化产物相互交织形成三维空间网络结构，进而提高试件的抗折强度和韧性。但丁苯胶乳本身强度较低，当掺量过大时反而会降低砂浆的抗折强度，砂浆试件侧面图见图5。

图5 砂浆试件侧面图

由图5可见，在折断的试件侧面及截面处可以观察到大量半径较小的圆孔，因此引气作用也是抗折强度降低的重要因素。丁苯胶乳的弹性模量较低，在受压时无法承担与水泥石相同的荷载。因此在聚灰比增大时，砂浆试件的抗压强度随之降低。

研究认为，抢修工程用水泥的初凝时间一般不低于20～25 min，终凝时间不晚于60 min。对普通硅酸盐水泥-快硬硫铝酸盐水泥-丁苯胶乳三元复合胶凝体系进行凝结时间测试，试验结果见图6。

图6 丁苯胶乳掺量对水泥净浆凝结时间的影响

由图6可见，丁苯胶乳的掺入可以显著提高水泥净浆的凝结时间。在聚灰比为0.1时，初凝时间为39 min，终凝时间为44 min，相较空白组提高了约1倍。这是因为丁苯胶乳在掺加到水泥净浆后，随时间推移逐渐形成膜状物。这层薄膜阻碍了水泥熟料颗粒与水的接触，并对水化产物的迁移形成障碍，从而缩短凝结时间。

修补界面的黏接强度关系到修补材料能否与旧混凝土路面保持协同工作，是修补成功与否的另一个重要因素。通过对不同聚灰比的砂浆试件进行黏结强度测试，以确定可以获得最佳黏结性能的聚灰比。试验结果见图7。

图7 聚灰比对修补材料黏结强度的影响

由图7可见，在砂浆中掺加丁苯乳液可以提高新老界面间的黏结强度，且随聚灰比的提高呈现先增大后减小的趋势。0.08聚灰比组在养护至6 h时，黏结强度就可以达到2.18 MPa，相较不掺加丁苯胶乳组提高了60.2%，但后续成长性略低于聚灰比0.06组。对于0.06聚灰比组，1 d黏结强度可达3.11 MPa，3 d黏结强度继续提升，为3.60 MPa。

在聚灰比较低时，黏结强度随聚灰比增大而上升。这是因为聚合物分子具有较强的扩散能力，能有效渗入到旧基体的毛细孔中，在聚合物脱水成膜后将新基体和旧基体连结，从而提高两者之间的黏结性能。随着聚灰比提高，黏结强度有所下降。这是因为丁苯胶乳增大了新拌砂浆的黏聚性，在灌入试模时相较低聚灰比组不易分散，因而降低了黏结强度。综上，在聚灰比为0.06时，可以获得综合黏结性能最好的修补砂浆。

3 结论

本文研究了普通硅酸盐水泥-快硬硫铝酸盐水泥-丁苯胶乳三元复合胶凝体系，通过测试新拌砂浆流动度及6 h，1 d，3 d抗压抗折强度及黏结强度，得出如下结论。

1) 使用普通硅酸盐水泥与快硬硫铝酸盐水泥复配作为基础胶凝材料，可以增加砂浆的早期强度，缩短凝结时间，且不同复配比例的砂浆强度及净浆凝结时间不同。其中：m(R·SAC)∶m(P·O)=7∶3时可以获得最高的6 h和3 d抗折强度，m(R·SAC)∶m(P·O)=6∶4可以获得最高的3 d抗折强度，m(R·SAC)∶m(P·O)=8∶2时凝结时间最短。

2) 苯丙乳液不适合掺加在快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥复合体系中，会使力学强度及流动度显著降低。

3) 丁苯胶乳的掺入可以提高砂浆的抗折强度，延长凝结时间，但会降低其抗压强度。在聚灰比为0.08时可以获得最高的1 d,3 d抗折强度。掺加丁苯乳液还可以提高新老界面间的黏结强度。聚灰比为0.08时6 h黏结强度可达到2.18 MPa，相较不掺加丁苯胶乳组提高了60.2%。

4) 使用水胶比为0.3，m(R·SAC)∶m(P·O)=6∶4，聚灰比为0.06，胶砂比为1∶1.5的配合比制备砂浆，其工作性能优异。浆体本身6 h抗折强度达到4.98 MPa，1 d抗折强度为6.12 MPa，3 d抗折强度7.02 MPa，6 h抗压强度16.21 MPa，1 d抗压强度20.41 MPa，3 d抗压强度29.31 MPa。且黏结强度最高，6 h黏结强度可达2.18 MPa，1 d黏结强度3.01 MPa，3 d黏结强度3.28 MPa。其力学强度、流动度、凝结时间均满足水泥混凝土路面快速修补的需求。